高速公路隧道照明自动控制系统

范士娟，李 伟

（华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室，江西南昌330013）

隧道照明是保障公路隧道安全行车和运营的重要组成部分，同时也是隧道内能耗最大的环节[1]，因此，多个国家制定了隧道照明的设计规范，如CIE[2]（commission international d'eclairage），BS[3]（Britain lighting standards）和IES[4]（illuminating engineering society of North America）等。对于隧道照明系统而言，照明控制系统设计的好坏直接决定着整个照明系统的优劣。现有的控制方法主要包括手动控制方法、时序控制方法和自动控制方法。手动控制和时序控制方法易于实施，在实际应用中稳定可靠，但不能够根据天气、车流量和车速的变化对洞内亮度进行调节，基本上没有节能效果，存在着很大的电能浪费[5-7]。自动控制方法按调光的连续性可分为有级调光和无级调光。在LED灯应用于隧道照明之前，我国隧道照明系统大多采用有级控制方式，但也存在着一些问题，主要表现在:1因布线回路的限制只能做到2～4级自动控制，洞外亮度、车流量和车速等参数只是在设计阶段以最大值考虑，最终各段照明亮度也始终是处于最大值状态，照明系统效率偏低，存在着大量的电能浪费；2营运过程中产生与行车安全和隧道监控之间矛盾等问题[8-9]。本文利用LED灯的优越性能，尤其是它相比于其它照明灯具易于控制的特点，设计一种隧道照明自动控制系统，可根据洞外亮度、车流量和车速的变化动态调整洞内亮度，实现隧道照明的连续调光，不仅保证隧道的安全运营，而且降低隧道的电能消耗。

1 隧道照明系统的整体控制方案

本文设计的应用于隧道照明自动调光系统，主要由车流量采集器、车速采集器、亮度采集器、数据转换器、照明控制计算机、驱动电源和配套的LED隧道灯组成，系统结构如图1所示。车流量采集器、车速采集器和亮度采集器采集到的隧道车流量、车速和洞外亮度信息，经数据转换模块处理后传送给隧道控制室内的照明控制计算机，按照事先设定好的调光控制逻辑，计算出洞内各区段的亮度，并根据隧道各区段亮度值及LED灯功率曲线计算出每一节点驱动电源所需输入的控制电压，通过信号传输电缆把调光控制指令发送给各个驱动电源，驱动电源根据得到的指令调整LED灯的功率，并反馈相关信息给照明控制计算机，实现对隧道内照明系统的连续调光。

图1 隧道照明自动控制系统结构图Fig.1 Block diagram of tunnel lighting auto-control system

图2 隧道照明的理论需求曲线Fig.2 Theory demand curve of tunnel lighting

2 隧道照明系统的自动控制策略及亮度计算模型

一般有级调光在设计阶段对环境参数以最大值考虑，没有考虑跟随环境参数的变化去调光，或由于灯具及布线回路的限制只能做到几级调光；无级调光并不是绝对的连续调光，但能够更加精细的划分调光级数，接近于连续控制。

隧道照明系统的控制策略主要依据《公路隧道照明通风设计规范》[10]（以下简称《规范》）中的规范进行设计，其原理为:根据隧道洞内亮度适应曲线、隧道洞外亮度、车流量和车速信息建立隧道各区段亮度数学模型，并根据这些模型对隧道照明灯具进行动态调光控制，使隧道内实际亮度值很好的接近亮度适应曲线，实现隧道的节能。

根据《规范》，长大隧道照明区段可分为入口段、过渡一段、过渡二段、过渡三段、中间段和出口段（见图2）。图中，L20(S)为洞外亮度，Lth为入口段亮度，Ltr1～Ltr3分别为过渡一段～过流三段的亮度，Lin为中间段亮度。按照规范的设计标准，建立隧道照明各区段亮度的数学模型，每一次调光计算出相应各区段所需的亮度值，换算出LED灯所要调整的功率信息传送给驱动电源。为了满足人眼对亮度的适应要求，对LED灯的控制采用256级对数调光方式，使整个调光区域看起来像线性调节。为了保证隧道内行车的安全，在调整洞内亮度时，采用亮度渐变的控制方式，逐级分段的达到所需的亮度要求，避免亮度的突然变化。过于频繁的触发调光不利于人眼的适应，一定程度上还会降低灯具的使用寿命，所以控制过程中采用时间触发方式，每过3～5 min采集一次洞外亮度、车流量和车速数据，进行一次亮度需求的计算。

隧道各区段亮度的数学模型主要针对洞外亮度L20(S)、车流量Q（辆/小时）和车速v（km·h-1）建立，采用线性回归方法对《规范》中的数据进行数理统计得到。

1）入口段亮度数学模型:对《规范》中的数据进行一阶线性回归（本文只对双车道单向交通隧道进行设计），可得交通量Q≤700辆/小时和Q≥2 400辆/小时时的入口段亮度折减系数k回归公式；当交通量700辆/小时≤Q≤2 400辆/小时时，采用内插法计算入口段亮度折减系数。

不同交通量和行车速度时的入口段亮度折减系数按式（1）计算。

根据《规范》，入口段亮度计算公式为

2）中间段亮度数学模型:对《规范》中的数据采用二阶线性回归，可很好的拟合规范中的中间段亮度值，交通量Q≤700辆/小时和Q≥2400辆/小时时的中间段亮度回归公式曲线；交通量700辆/小时≤Q≤2400辆/小时时，采用内插法计算。不同交通量和行车速度时中间段亮度按式（3）计算。

3）过渡段的亮度取决于入口段的亮度，参照《规范》可知过渡段由Ltr1、Ltr2和Ltr3三段组成，其对应的三段亮度分别为Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth。

4）出口段的亮度Lout可取中间段亮度的5倍，即Lout=5Lin。

3 控制系统主程序流程设计

隧道照明系统控制程序流程如图3所示。首先对系统各模块进行初始化，读取亮度传感器和车辆传感器采集的信息，判断是否启用手动控制（默认情况下为自动控制）；如果是自动控制，判断隧道是否处于正常状态，如果状态不正常，调用特殊状态控制程序，并报警结束程序；如果状态正常，直接调用计算机自动调光控制程序，输出调光指令，完成一次调光；判断是否有外界触发停止程序，如果没有，间隔3～5 min重新采集数据，如果有，结束程序。将建立的数学模型和系统控制流程转化为相应的控制程序，嵌入到照明控制计算机中，即可实现隧道照明系统亮度的自动调控。

图3 隧道照明系统控制流程图Fig.3 Flow chart of tunnel lighting control system

4 仿真与分析

在照明设计软件DIALux中建立隧道模型和仿真模型，设定一天不同时间段的洞外亮度、车流量和车速参数值，在此条件下采集各区段亮度的多组样本数据，限于篇幅本文只列出5组样本数据如表1。根据所建立的各区段亮度数学模型设定的洞外亮度、车流量和车速参数值下计算不同隧道区段的亮度值，即理论照明亮度值，也列于表1，比较可知，仿真调光数据与理论数据很接近，误差基本控制在2%以内。

表1 各区段仿真亮度值/理论亮度值（部分）Tab.1 Simulation luminance values/theoretical luminance values of each section in tunnel（partly）

图4是白天晴天时隧道照明功率的变化图，从图中可以看出将高压钠灯替换为LED灯，就可以节能45%左右。对LED灯进行无级调光，其节能效果更加明显，相比于只按最大值考虑的高压钠灯和LED灯，分别多节能80%和35%以上。相比于LED灯的四级有级控制，无级调光也能够多节能20%以上。本文设计的隧道照明自动控制系统，不仅有较优的控制效果，保证了隧道的行车要求，同时有很好的节能效果。

5 结束语

隧道照明是公路交通工程的重要组成部分，照明控制系统的好坏直接影响到隧道内的行车安全和能耗成本。本文利用LED灯的优越性能:1以《规范》为依据，以洞外亮度、车流量和车速为输入参数，建立了隧道所需亮度数学模型；2能够跟随洞外亮度、车流量和车速参数的变化而自动调节洞内亮度，设计了一种隧道照明自动控制系统，该系统在满足照明要求的同时，降低了传统照明控制系统因忽略车流量、车速的影响或只按阶段最大值考虑所造成的电能浪费，节能效果显著。

[1]涂耘.公路隧道节能照明系统研究[J].公路交通科技，2008（6）:117-120.

[2]COMMISSION INTERNATIONAL DE L'ECLAIRAGE.CIE No 88-2 guide for the lighting of road tunnels and underpasses[S].Vienna:CIE Publication，1999.

[3] BRITISH TECHNICAL COMMITTEE.BS 5489-2 code of practice for the design of road lighting of tunnels[S].London:British Standards Institution，2003.

[4] ILLUMINATING ENGINEERING SOCIETY OF NORTH AMERICA.ANSI/IESNA RP-22-96 American national standard practice for tunnel lighting[S].Washington:American National Standards Institute，1996.

[5]陈仲林，孙春红.公路隧道照明设计研究[J].灯与照明，2007，31（3）:32-35.

[6]黄凤武，陈勇隧道照明节能控制系统研究与实现[J].公路工程，2008，33（6）:111-114.

[7]郭兰英，梁波，张生瑞.一种新的隧道照明系统控制策略[J].西北大学学报:自然科学版，2009，39（4）:572-574.

[8]李韧，傅达，陈朝阳.隧道照明节能与控制[J].公路工程，2007，32（5）:204-206.

[9]郭兰英，梁波.公路隧道照明控制系统研究与实现[J].微计算机信息，2009，25（3）:38-40.

[10]交通部重庆公路科学研究所.公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999[S].北京:人民交通出版社，2000.